液压挖掘机工作装置设计关键技术研究.docx

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液压挖掘机工作装置设计关键技术研究

摘要

液压挖掘机是土方和石方工程的主要施工机械，广泛应用于能源、交通、水利、城镇建设以及现代化军事工程等领域的机械化施工。

液压挖掘机利用工作装置进行土方和石方挖掘，工作装置的性能和可靠性是整机先进性的重要标志。

本设计对液压挖掘机的典型工况进行了分析，根据液压挖掘机的工作特点，从几何尺寸、动力特性、结构强度、经济性等方面讨论了液压挖掘机工作装置的设计要求，提出了液压挖掘机工作装置的设计原则。

通过分析挖掘机工作装置铰点的失效机理，提出了铰点销轴和轴套最小间隙的计算公式和最大间隙的限制条件。

同时以某挖掘机工作装置为例，进行了工作装置的优化设计。

对比优化设计和原设计尺寸，比较了主要作业参数，得出经过优化设计的铲斗缸的挖掘力得到了充分发挥。

关键词液压挖掘机；工作装置；轴套配合；优化设计

Abstract

Hydraulicexcavatoristhemajorconstructionmachineintheearthmoving,excavationandengineeringfield,anditiswidelyusedinthemechanizedconstructionofenergy,transportation,waterconservancy,urbanconstructionandmodernizedmilitaryengineeringfield.Workingmechanismisthemainpartforearthexcavation,sotheperformanceandreliabilityofworkingmechanismbecome

Thisdesignofworkingmechanismisthemaincomponentofhydraulicexcavatoranditsperformancedirectlydeterminestheperformanceofthewholehydraulicexcavator,whichbringshighdemandsforworkingmechanismdesign.Firstacomprehensiveanalysisisperformedforhydraulicworkingconditions.Onthebasisofworkcharacters,thedesignofworkingmechanismisstudiedtomeettherequirementsforgeometry,dynamiccharacteristics,structurestrength,econ-omicandotheraspectsofhydraulicexcavator.Anddesignprincipleisdiscussed.Alloftheresearchworkhasimportantguidingsignificance.Throughanalyzedtheexcavatorworkinstallmentarticulationfailuremechanism,proposedthearticulationspotsellstheaxisandtheaxlesleevesmallestgapformulaandthebiggestgaplimitingcondition.Meanwhiletakesomeexcavatorworkinstallmentastheexample,hascarriedontheworkinstallmentoptimizationdesign.Thecontrastoptimizationdesignandtheoriginaldesignsize,comparedwiththemainjobparameter,haveobtainedaftertheoptimizationdesignscoopcylinder'sexcavationstrengthobtainedthefulldisplay.

KeywordsHydraulicExcavatorWorkingMechanismhingeshaftfittingOptimizationdesign

1绪论

1.1引言

挖掘机是从事土方和石方开挖的—种施工机械。

工作过程中，以铲斗的切削刃切削土铲斗装满后提升、回转至卸载地点（或卸入运土车辆）。

卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下—次的作业。

我国建筑部门使用的挖掘机多为机械传动的单斗挖掘机。

六十年代以后，随着各项建设事业的发展，液压传动的挖掘机才获得了越来越广泛的应用。

挖掘机在建筑、筑路、水利、电力、采矿、石油、天然气管道铺设和军事工程中被广泛地使用。

挖掘机主要用于筑路工程中的堑壕开挖，建筑工程中开挖基础，水利工程中开挖沟渠、运河和疏浚河道。

在采石场、露天开采等工程中剥离和矿石的挖掘等。

据统计，工程施工中约60％的土方和石方量是靠挖掘机完成的。

1.2挖掘机发展简史

第一台手动挖掘机问世至今已有130多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动半回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动全回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程。

由于液压技术的应用，20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和腰带式全液压挖掘机。

初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全[18][19]。

从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段、各国挖掘机制造厂和品种增加很快，产量猛增。

1968-1970年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的83％，目前已接近100％。

1.3挖掘机的用途和分类

1.3.1挖掘机的用途

挖掘机在基础建设各个部门，在交通运输、水电工程、矿山采掘等一切需要搬运土方或石方的施工工程中都有着极广泛的应用。

应用挖掘机可以挖掘基坑和排水沟；平整场地，装卸、安装、打桩、拔树根、清理废墟；挖水库、运河和修筑堤坝、疏浚河道；修筑公路和铁路路基；挖掘管道和电缆沟渠；剥离表土；开采矿石和煤炭并装入运输车辆等。

液压挖掘机比机械式挖掘机有更好的机动性，它可以在狭窄场地挖掘面积很小的深坑，能挖各种形状的表面，具有很好的修理边坡、刮平地面和清理等性能。

根据施工对象的不同要求，还可以采用调节铰点位置等简单方法使挖硬土时能发出较大的挖掘力，而挖掘软土时，又可以加大铲斗容量，提高生产效率。

液压挖掘机的行走牵引力与机重之比大大高于机械式挖掘机，这就使它可以完成一些特定的作业（如局部牵引、陷坑自救）。

换装加宽加长履带后，可使接地比压降到0.1公斤／厘米2以下，适用于软土或沼泽地带工作。

在现代化的军事工程中，利用液压挖掘机通用程度高的特点，一种以反铲施工为主的小型通用挖掘机可以同时完成挖掘堑壕和掩体，快速修路，制造各种军事构筑物等。

特殊地区可以用直身飞机空投，机器就地安装，几分钟之内即可投入施工。

微型挖掘机的反铲可以小到容量0.01-0.04米3[20][21]。

人工操纵或无线电遥控均可。

特别适用于放射性元素的科学实验场地作装载工作。

基本建设部门也可作水泥等各种建筑材料的装载、喂料。

还可配合其他机械化施工机具代替人力，实现综合机械化施工。

1.3.2挖掘机的基本类型

液压挖掘机也和机械式挖掘机一样，由工作装置、回转装置和行走装置等三大部分组成[1]。

所以，我们可以从这三大部件的结构特点、功能和通用范围等方面来区分它的类型。

就液压挖掘机构整机结构而言，全部采用液压传动者称为全液压挖掘机；部分采用液压传动者则称为半液压挖掘机（多数情况下是行走装置用机械传功，其余均为液压传动。

也有机体为机械传动，而仅工作装置采用液压传动的）；能在水平面内回转360o的称为全回转挖掘机，否则就是非全回转式挖掘机。

就工作装置来说，根据其用途和结构型式可以区分为“通用”与“专用”[22]。

—般中小型液压挖掘机都是通用的，多带有正铲、反铲、装载、抓斗、起重等五种工作装置。

大型液压挖掘机往往专门用于建筑材料露天矿或其它金属与非金属露天矿作装载和挖掘工作，故只装正铲，成为专用；根据工作装置的结构特征，可以区分为铰接式和伸缩臂式。

普通的液压挖掘机均为铰接式（动臂、斗杆和铲斗均可绕铰点转动，完成各种作业动作），而伸缩臂式挖掘机的动臂由主臂和伸缩臂两部分组成，伸缩臂可在主臂内伸缩也可以变幅，臂端装有铲斗，适于作平整和清理工作，特别是修理沟坡。

就行走装置的型式而言，液压挖掘机可以制成履带式、轮胎式、轮胎—履带式、汽车式和悬挂式。

悬挂式挖掘机用拖拉机作底盘，配装若干个工作装置（通常是一端装反铲、另一端为装载铲或推土板）。

除上述基本类型外，还有一些结构比较特殊的液压挖掘机。

无行走驱动装置的双轮拖式挖掘机（亦称步履式挖掘机）制造简单、价格低廉，特别适用于狭窄地带和小型土方施工工地；轮胎可以收放的无支腿式挖掘机工作时不用支腿支撑，而将支承转台的底架全部落地，在360o的范围内自由回转进行作业。

仲缩臂式挖掘机也可装上铰接式斗杆，满足作业过程中某些腕动式作业的要求。

1.4挖掘机的发展方向

液压挖掘机从50年代问世以来，发展很快，当前，已经基本上取代了建筑部门所用中小型机械传动挖掘机。

采掘用的大功率液压正铲挖掘机也在矿山上推广使用[2]。

进一步改善和发展液压挖掘机是挖掘机行业的重大课题。

近十多年来，国外液压挖掘机产量急剧上升，结构逐步完善，在工程和采掘行业中占有很重要的位置。

液压挖掘机迅速发展的原因，除机械本身优越性以外，还由于：

（1）重视试验研究工作，在挖掘机研制过程中，进行了各种性能试验和可靠性试验包括构件强度试验、液压系统试验、操纵试验、耐久性试验等，配备有相应的试验设备，例如有的耐久性试验台每秒作250-1000次脉冲，对挖掘机模型进行任意波形的加载，作可靠性试验，进行了二百万次反复脉冲以后，基本上测定了机械的使用耐久性，并利用电子计算机和磁带记录仪同时对三百个测点进行快速测试和分析。

新开发的机型，要通过严格的科学试验和用户评价，才进行定型生产；

（2）重视电子计算机技术的引用，加快了新产品的发展速度，国外开发有总体、工作装置、液压系统等的设计程序，出现了总体优化设计方法和适合于计算机数据处理的数学模型描述液压系统和元件特性的程序，这样，就可以利用计算机在很短的时间内进行总体设计，新产品从设计到批量生产的周期缩短短2-3年左右；（3）专业化生产，主机厂与元件厂紧密协作，主机厂通过各种途径加强与使用部门的联系，例如，普遍设立技术服务点，进行司机培训、指导用户正确使用挖掘机、保证供应元件和更换设备，包括维修，直到大修，使主机厂、协作厂和使用单位结合成一体[4]。

当前液压挖掘机的研制和改进，主要着眼于：

（1）发动机功率的充分有效利用，通过各种途径使机械多做有效的功，其中包括动力装置与液压传动的最佳匹配，传动效率的提高，回转机构功率的回收，高效液压系统（如恒压恒功率调节等）的研究等，

（2）铲斗挖掘力大小和有效工作范围是衡量各种液压挖掘机工作能力的重要指标，大型矿用正铲挖掘机更较重要，目前是通过工作装置铰点最佳位置，采用高压与超高压技术，提高整机稳定性和采用随动机构使铲斗做恒角切削等；（3）缩短工作循环周期，提高机械生产率，包括整机性能研究（作业循环、回转和行走性能的研究），发展专用机械、专用装置